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Wissen, wo man dran muss ... Erstmals weiß man vorab, wo ein 3D-Druck-Teil nachbehandelt werden muss

Quelle: Fraunhofer IWM 2 min Lesedauer

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Fraunhofer IWM
Urma AG Werkzeugfabrik
LRQA Deutschland GmbH
Shining 3D Tech Co., Ltd

Eine modellgestützte Optimierungsstrategie des Fraunhofer IWM erlaube erstmals die gezielte Auslegung mechanischer Oberflächen-Nachbehandlungen für additive gefertigte Metallteile ...

Hier wird am Fraunhofer IWM ein additiv gefertigtes Metallteil in einer Testvorrichtung zyklisch belastet, nachdem seine hochbeanspruchten Oberflächenzonen mechanisch nachbehandelt wurden. Jetzt weiß man auch, wie man diese Stellen vor der Fertigung herausfinden kann.(Bild: Fraunhofer IWM)
Hier wird am Fraunhofer IWM ein additiv gefertigtes Metallteil in einer Testvorrichtung zyklisch belastet, nachdem seine hochbeanspruchten Oberflächenzonen mechanisch nachbehandelt wurden. Jetzt weiß man auch, wie man diese Stellen vor der Fertigung herausfinden kann.
(Bild: Fraunhofer IWM)

Die additive Fertigung erlaubt konstruktive Freiheiten, die sonst nur schwer umzusetzen wären. Das gilt für den 3D-Druck in Kunststoff und Metall. Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen – etwa in der Luftfahrt, im Automotive-Bereich oder in der Energietechnik – scheitert aber der Einsatz metallener 3D-Druck-Teile bisher oft an unzureichender Ermüdungsfestigkeit, wie Forscher vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM) wissen lassen. Denn die Oberflächenrauheit, Zugeigenspannungen und Gefügedefekte (Gasporen oder mangelnde Anbindung = Lack of Fusion: LOF) wirken sozusagen als Startpunkte für Risse, die zum vorzeitigen Bauteilversagen führen können. Aber mechanische Oberflächenbehandlungs-Verfahren wie Kugelstrahlen, Festwalzen und Glätten könnten diese Gefahren gezielt beseitigen oder zumindest verringern. Damit verdichtet man nämlich die Randschicht, reduziert so die Defektdichte und bringt Druckeigenspannungen in die gedruckte Struktur ein. Doch es gab bisher einen Mangel: Es fehlte ein praxistaugliches Berechnungsmodell für den gezielten Einsatz dieser Nachbehandlungsmethoden. IWM-Forscher haben diese Lücke jetzt aber endgültig geschlossen, wie betont wird.

Von der Analyse bis zur Lebensdauer-Vorhersage durchrechnen

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWE geförderten Projekts wurde eine modellgestützte Berechnungskette entwickelt und an den für den 3D-Druck konzipierten Metalllegierungen AlSi10Mg, 316L und Ti6Al4V validiert. (Zur additiven Fertigung nutzten man die Prozesse LPBF = Laser Powder Bed Fusion und CMF = Cold Metal Fusion). Die Berechnungskette verknüpft dabei drei Schritte miteinander:

  • 1. Bauteilbewertung und Verfahrensauswahl: Je nach Bauteilgeometrie und Lage der am höchsten beanspruchten Stellen wird das geeignete Nachbehandlungsverfahren bestimmt;
  • 2. Prozesssimulation: Randschichteigenschaften wie Eigenspannungen, Rauheit und Verfestigung werden in Abhängigkeit der Prozessparameter vorhergesagt und optimiert (etwa Strahldruck, Anpressdruck, Bahnüberlappung);
  • 3. FKM-basierte Lebensdauerbewertung: Die Lebensdauer-Vorhersage erfolgt in Anlehnung an die bei Konstrukteuren und in KMU etablierten FKM-Richtlinien. Sie lässt sich direkt in bestehende Entwicklungsprozesse integrieren. Der FKM-Lebensdauernachweis wurde dazu für die gedruckten und nachbehandelten Materialien AlSi10Mg, 316L, Ti6Al4V angepasst.

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